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NK-32航空发动机。资料照片
研发发动机要解决多重难题
研发一款新型航空发动机需要多少年？
以第四代航空发动机研发为例：从前期设计到进入工程制造和发展阶段，美国用时9年，欧洲四国联合用时10年。毫不夸张地说，现代航空发动机的研发需要动用举国之力。这也是世界上只有少数国家能够自主研发航空发动机的原因。
20世纪60年代以来，世界各国在航空发动机的研发过程中，总结出“技术验证机-工程验证机-原型机”为核心的样机迭代模式。经过反复验证，样机的可靠性、耐久性将会得到持续提升，直至达到定型标准。这一过程看似简单，但研发出发动机样机仍需解决四大难题：
一是提高增压比。如果将航空发动机比作一个喷气气球，那么内部压力越大，气球飞得越快。为获得更高的增压比、产生更大推力，航空发动机内的空气通常需要经过多级压气机叶片压缩。那么，提升风扇叶片的增压效率至关重要。
如何设计出可靠的风扇叶片？20世纪80年代，英国丹顿教授开发出一套三维叶轮机械数值模拟程序。它可以将空间细分为很多独立单元格，通过计算机模拟计算出各个节点上的流体参数。这些仿真数据可以有效缩减发动机试验时间，国外一家企业使用模拟仿真方法后，研制第四代航空发动机的时间较上一代缩短了5年。
二是增强耐高温能力。军用涡扇发动机的涡轮前温度越高，越有利于提升发动机推力。发动机燃烧室的温度超过2000℃时，涡轮产生的温度将达到1500℃，在这样的高温环境下，一般金属会熔化殆尽，增强发动机内部构件的耐高温能力势在必行。
既然金属难以抵挡超高温，科研人员另辟蹊径——开发陶瓷材料。比如，美国普惠公司开发出的陶瓷基复合材料，可以承受1500℃高温，重量却只有镍基高温合金的1/3，持续在1200℃以上高温下工作具有良好的抗疲劳性。
三是解决承力难题。发动机叶片每分钟转速高达15000-16000转，此时转动叶片的离心力相当于叶片重量的10000倍。航空发动机1个叶片榫头所承受的离心力约为15吨。因此，解决连接榫头承力问题非常重要。
为此，英国罗罗公司反其道而行，直接摒弃连接结构，在新研发的EJ200涡扇发动机上采用整体叶盘结构设计，减少应力集中带来的断裂风险；简化压气机转子结构，使发动机重量减少30%以上，高转速下的承力问题迎刃而解。
四是找出问题隐患。发动机不光是设计出来的，更是试验出来的。一款新研发的航空发动机，必须经过叶片飞脱试验、耐久试验、吞鸟试验等30多种试验，在试车台、高空模拟试车台和试验机上运转上万个小时，以充分暴露发动机的各种问题。
为提高试验效率，国外航空发动机企业开发出智能化试验平台。21世纪初，美国阿诺德工程发展中心的高空台完成了现代化和一体化升级改造，增加了多种故障模拟以及快速诊断排故等功能，可对试验件的功能、性能、安全可靠性进行全面测试评估，加速了航空发动机的研制进程。
人机协作让设计师梦想成真
一款新型航空发动机的研发技术再先进、设计图纸再完美、试验再成功，能不能批量生产出来，最终还是取决于发动机制造厂的制造技术能力。
冷战时期，美苏两国开展军备竞赛，单从发动机产能方面讲，美国通用电气公司在全国设立多条生产线，每月最多可组装1000多台发动机；苏联9家工厂开足马力，一年内能生产出4000多台发动机。
进入21世纪，随着信息技术与工业生产的深度融合，航空发动机生产进入智能化制造阶段，呈现出“数字化、网络化、智能化”的新特征。人机协作模式下的航空发动机制造，大致分为以下3步：
第一步是精密制造。航空发动机的内部结构复杂，每个零部件的加工精度和表面质量的标准极高。为了让构件与图纸要求分毫不差，工程师会综合运用精密制坯、抗疲劳制造、特种加工等多项先进技术，将加工误差缩小到微米级。此外，近几年兴起的3D打印技术也被引入航空发动机的制造工序，有效攻克零部件制造复杂、难以切削等难题。
第二步是智能组装。航空发动机各零部件的组装必须分毫不差，任何安装错误都可能导致无法挽回的事故。在自动化生产线上，工程师通过操控机械臂，一般按照压气机叶片、燃烧室、油路管路、涡轮、涡轮轴、发动机外壳、加力燃烧室的顺序依次安装。同时，工程师还可以借助增强现实技术，在操作屏幕上观察每个零部件的准确位置，以检查安装是否正确。

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